במחקר של ד”ר בינגהיי יאן, חומרים חדשים סוללים את הדרך לתגליות חדשות בפיסיקה
ד”ר בינגהיי יאן, שהצטרף לאחרונה למחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן, מגדיר את עצמו כ”תיאורטיקאי שעוסק במחקר ניסויי”. כלומר, הוא חוקר את תכונותיהם של חומרים חדשים ומסקרנים באמצעות מתמטיקה וסימולציות, ועל סמך ממצאיו מעלה הצעות לניסויים חדשים. לדוגמה, במחקר שפורסם באחרונה בכתב-העת Nature הצליחו ד”ר יאן ועמיתים מגרמניה, משווייץ ומארצות הברית להוכיח “אנומליה כבידתית”, מושג בסיסי אשר נחקר כבר שנים ארוכות. עבודתם הוכתרה כ”צעד לקראת הבנה של תעלומת החורים השחורים”.
אנומליה כבידתית נובאה, בהתקיים נסיבות מסוימות, במסגרת כמה ממשוואות הפיסיקה הבסיסיות ביותר, כולל סיבוב כוכבי נויטרונים והיקום הקדום, אך מעולם לא נצפתה בפועל. היא נחשבה לאפקט קטן מאוד, שניתן לראותו רק בעיקום של מרחב-זמן בסמוך לחורים שחורים או רגע לאחר המפץ הגדול, או, לכל הפחות, בניסוי מורכב באנרגיות גבוהות. אלא שצוות המחקר הצליח לתעד אותה באמצעות מדידת מוליכוּת תרמו-אלקטרית בפיסה של חומר המכוּנֶה “המתכת למחצה של וייל NbP” – חומר שהתגלה לאחרונה במחקרו של ד”ר יאן.
מה מיוחד בחומר זה? הוא מכיל חלקיקים יסודיים הנקראים “פרמיונים של וייל”. בחלקיקים אלו, הספין – תכונה של חלקיקים קוונטיים שמזכירה באופן כללי סיבוב של כדורגל – מקביל או אנטי-מקביל לכיוון התנועה. כך נעולים הספין והתנועה – תופעה המכוּנָה בפיסיקה בשם “כיראליות”, ובהתאם לספין שלהם, פרמיונים של וייל הם ב”תצורת יד שמאל” או ב”תצורת יד ימין”. הכיראליות היא שהופכת את הפרמיונים של וייל למערכות אידיאליות לצורך איתור אנומליות, תופעות אשר עומדות בניגוד לחוקי היסוד של מכניקת הקוונטים, הקובעים כי על חלקיקים ומספרי הספין להשתמר.
אשר לאנומליה כבידתית, היא מופיעה, למשל, בתורת השדות הקוונטית, שבה מרחב-זמן עקום יכול ליצור חוסר איזון בין חלקיקים בתצורת יד ימין לבין חלקיקים בתצורת יד שמאל, דבר אשר יַקשה על שימור השוויון בין שתי התצורות. ד”ר יוהאנס גות’, שערך את הניסוי, ואשר עורך כיום מחקר בתר-דוקטוריאלי במרכז המחקר של IBM בציריך, הפעיל במעבדה מפל טמפרטורה ושדה מגנטי על מתכת-למחצה של וייל. לדברי ד”ר יאן, דבר זה יצר תופעה אנלוגית של מרחב-זמן עקום, אשר איפשרה לחוקרים לצפות בהשפעת פרמיונים של וייל על הכבידה. מחקר זה פותחת דלת למחקר-המשך ביחס לתופעות שדה קוונטיות שטרם זוהו.
ד”ר יאן מתכוון להמשיך לחקור את המאפיינים הייחודיים של חומרים טופולוגיים, ואף להגות חומרים חדשים. הוא סבור, שלחלקם עשויות להיות תכונות אופטיות ומגנטיות מעניינות. יתר על כן, לחומרים אלה עשויים אף להיות שימושים מעשיים; למשל, ביצירת אמצעי אחסון נתונים, ואף בבניית מחשב קוונטי
מתכות-למחצה של וייל נמנות עם קבוצה חדשה יחסית של חומרים הידועים כחומרים טופולוגיים, חומרים מוצקים בעלי תכונות אלקטרוניות אקזוטיות. מקורם של חומרים אלה במושג המתמטי טופולוגיה, וגילויים צוין בהענקת פרס נובל בפיסיקה לשנת 2016. ד”ר יאן מתכוון להמשיך לחקור את המאפיינים הייחודיים של חומרים אלה, ואף להגות חומרים חדשים. הוא סבור, שלחלקם עשויות להיות תכונות אופטיות ומגנטיות מעניינות, שבזכותן יתאפשרו ניסויים נוספים בפיסיקה של חלקיקים מוזרים והתנהגויות קוונטיות. יתר על כן, לחומרים אלה עשויים אף להיות שימושים מעשיים; למשל, ביצירת אמצעי אחסון נתונים חדשים, ואף בבניית מחשב קוונטי.
בבית בישראל
על אף שד”ר יאן נמצא במכון ויצמן למדע חודשים ספורים בלבד, הוא מרגיש, לדבריו, “בבית”. הוא נולד בצפון סין, לא הרחק מבייג’ינג, וקיבל את הדוקטורט שלו מאוניברסיטת צינג-הואה. הוא המשיך ללימודים בתר-דוקטוריאליים באוניברסיטת בְּרֶמֶן בגרמניה, באוניברסיטת סטנפורד בארצות הברית, ולאחר מכן במכון מקס פלנק לכימיה פיסיקלית של מוצקים בגרמניה. בתקופה זו יצר קשרים עם כמה פיסיקאים ממכון ויצמן למדע, עימם הוא מוסיף לעבוד כיום. “אני משתף פעולה עם חוקרים במכון בתחום התיאוריה הבסיסית ובתחום המדידות, וגם עם הקבוצה בגרמניה לשם ייצור החומרים. יחד, אנחנו צוות נחמד מאוד”, הוא אומר. יחד עם ד”ר חיים ביידנקופף, מדען ניסויי בכיר במכון, ד”ר יאן “ראה” פרמיונים של וייל בפעם הראשונה באמצעות מיקרוסקופ מינהור סורק.
ד”ר יאן נשוי לחואנהואן וואנג, כיום תלמידת מחקר בקבוצת של פרופ’ דן יקיר מהמחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי-הלכת במכון. לבני הזוג שני ילדים, בני שנתיים וארבע, וד”ר יאן אומר שהם מעריכים במיוחד את איכות גני הילדים במכון.
